
Хеморезистор: Инновационный материал для химических датчиков
Хеморезистор — это уникальный материал, который изменяет свое электрическое сопротивление в ответ на изменения в окружающей химической среде. Эти устройства представляют собой класс химических датчиков, которые функционируют на основе прямого взаимодействия между чувствительным материалом и веществом, которое необходимо обнаружить, называемым аналитом. Взаимодействие может происходить через различные механизмы, такие как ковалентные связи, водородные связи или молекулярное распознавание.
Материалы для хеморезисторов
Существует множество материалов, обладающих свойствами хеморезисторов. К ним относятся полупроводниковые оксиды металлов, проводящие полимеры и наноматериалы, такие как графен и углеродные нанотрубки. Эти материалы часто используются в качестве частично селективных датчиков в таких устройствах, как электронные языки и электронные носы, которые способны распознавать и анализировать химические вещества в воздухе.
Конструкция хеморезистора
Основная конструкция хеморезистора включает чувствительный материал, который размещается между двумя электродами или покрывает набор встречно-штыревых электродов. Сопротивление между электродами можно легко измерить, что позволяет отслеживать изменения в присутствии или отсутствии аналита. Когда аналиты взаимодействуют с чувствительным материалом, это приводит к изменениям в показаниях сопротивления. В некоторых случаях изменения сопротивления просто указывают на наличие аналита, в то время как в других случаях они пропорциональны количеству присутствующего аналита, что позволяет точно измерять его концентрацию.
История хеморезисторов
История хеморезисторов началась еще в 1965 году, когда были опубликованы первые сообщения о полупроводниковых материалах, чья электропроводность значительно изменялась под воздействием окружающих газов и паров. Однако термин «хеморезистор» был введен только в 1985 году учеными Вольтеном и Сноу, которые исследовали хемирезистивный материал на основе фталоцианина меди. Они продемонстрировали, что его удельное сопротивление уменьшалось в присутствии паров аммиака при комнатной температуре.
Применение хеморезисторов
С тех пор технологии хеморезисторов активно развиваются и находят применение в различных областях. Например, были разработаны датчики на основе проводящих полимеров для обнаружения пассивного курения, датчики на основе углеродных нанотрубок для определения газообразного аммиака и датчики на основе оксидов металлов для обнаружения водорода. Хеморезисторы обеспечивают точную информацию об окружающей среде в режиме реального времени и требуют минимального потребления электроэнергии, что делает их идеальными для интеграции в системы Интернета вещей.
Типы хеморезисторных датчиков
Типы хеморезисторных датчиков можно классифицировать по архитектуре устройства. Хеморезисторы могут быть изготовлены путем покрытия встречно-штыревого электрода тонкой пленкой или использованием тонкой пленки для перекрытия зазора между двумя электродами. Электроды обычно изготавливаются из проводящих металлов, таких как золото и хром, что обеспечивает хороший омический контакт с тонкими пленками. Каждая архитектура устройства имеет свои преимущества и недостатки.
Преимущества и недостатки архитектур
Встречно-штыревые электроды позволяют большей площади поверхности пленки контактировать с электродом, что увеличивает общую проводимость системы. Однако их изготовление может быть сложным и требует использования фотолитографии. Более крупные элементы проще в производстве и могут быть изготовлены с использованием таких методов, как термическое испарение. Оба типа архитектуры могут быть расположены параллельно, что позволяет обнаруживать несколько аналитов одновременно.
Чувствительные материалы
Чувствительные материалы, используемые в хеморезисторах, могут быть разнообразными. Полупроводниковые оксиды металлов, такие как SnO2, были первыми, которые нашли коммерческое применение в 1970 году для детекции оксида углерода. Эти датчики могут определять как окисляющие, так и восстанавливающие газы, что делает их идеальными для использования в промышленных условиях, где газы могут представлять опасность для здоровья работников. Однако для работы таких датчиков требуются высокие температуры, что может ограничивать их применение.
Графеновые хеморезисторы, хотя и являются относительно новыми, продемонстрировали отличную чувствительность. Графен — это однослойный аллотроп углерода, который используется в датчиках для обнаружения различных молекул, включая белки и бактерии. Углеродные нанотрубки также активно применяются в хеморезисторах благодаря их уникальным свойствам.